Hardware-Grundlagen: RAID, Optische Medien und Grafik

RAID-Konfigurationen und Datensicherheit

Die Spezifikationen der RAID-Stufen 4 und 5 basieren auf der RAID-Technik mit unabhängigem Zugriff. Jede Festplatte im Set arbeitet unabhängig, sodass die E/S-Zugriffe parallel erfolgen können. In beiden Fällen werden die Daten in Streifen (Stripes) unterteilt. Ein Streifen berechnet die Parität Stück für Stück aus den entsprechenden Datenblöcken der anderen Festplatten. Bei RAID 4 werden die Paritäts-Bits auf einer dedizierten Paritäts-Festplatte gespeichert, was jedoch zu einem Flaschenhals führen kann.

RAID 5 und RAID 6

RAID 5 ähnelt RAID 4, verteilt die Paritätsstreifen jedoch zyklisch über alle Festplatten, wodurch der Flaschenhals von RAID 4 entfernt wird. Bei RAID 6 gibt es zwei verschiedene Paritäts-Layer, die in verschiedenen Blöcken gespeichert werden. Für einen Datensatz mit N Festplatten werden N+2 Platten verwendet. Die Daten können selbst dann wiederhergestellt werden, wenn zwei Festplatten gleichzeitig ausfallen.

RAID 0+1 und 1+0 sowie Zusammenfassung

RAID 0+1 und 1+0 sind besonders zuverlässig, da sie jeweils Spiegelungen der anderen Platten darstellen. Zusammenfassend lässt sich sagen:

• Zuverlässigkeit: RAID 0 bietet keine Redundanz. RAID 1 spiegelt alle Informationen. Höhere RAID-Level bieten Fehlertoleranz durch Parität. RAID 1 ist weniger effizient im Platzverbrauch, bietet aber ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis für die Sicherheit.
• Performance: RAID 2 und 3 nutzen parallele Zugriffe für hohe Übertragungsgeschwindigkeiten bei geringer Latenz. RAID 4, 5 und 6 ermöglichen mehrere gleichzeitige E/S-Operationen durch größere Streifen.

Optische Laufwerke und Speichermedien

Optische Laufwerke entstanden im Jahr 1983 mit der Einführung der Compact Disc (CD) für digitales Audio. Der Erfolg dieser Technologie ebnete den Weg für preiswerte optische Speicher. Die CD-ROM basiert auf der CD-Audio-Technologie. Informationen werden digital (ursprünglich bis zu 640 MB) als mikroskopisch kleine Vertiefungen (Pits) in einer reflektierenden Oberfläche gespeichert, die durch eine Klarlackschicht geschützt ist.

Technik und Evolution der CD und DVD

Von einer Master-CD werden Kopien mittels Stamping-Verfahren hergestellt. Ein Low-Power-Laser im Laufwerk liest die Daten aus. Zur Kapazitätsmaximierung wurde anfangs die Constant Linear Velocity (CLV) genutzt, später für höhere Geschwindigkeiten (ab 12-facher Geschwindigkeit) die Constant Angular Velocity (CAV). Vorteile: geringe Kosten. Nachteil: Lange Zugriffszeiten. Die Evolution führte über CD-R/RW zur DVD, die bei gleicher Größe eine Kapazität von 4,7 GByte pro Layer bietet. Dies wird durch eine geringere Laserwellenlänge und kleinere Strukturen sowie die Nutzung mehrerer Schichten ermöglicht.

Grundlagen der Computergrafik

Heutige Systeme basieren auf Pixelgrafiken. Ein Bild wird als Array von Pixeln erzeugt und in einem Speicherbereich, dem Frame-Buffer, abgelegt. Die Tiefe des Frame-Buffers (Bit pro Pixel) bestimmt die maximale Anzahl der darstellbaren Farben. Die Auflösung (Gesamtanzahl der Pixel) bestimmt den Detailgrad des Bildes.

Farbmodelle: RGB und CMY

Farbe ist das Ergebnis der Wechselwirkung von Licht mit einem Medium. Da das menschliche Auge nur eine begrenzte Anzahl an Farben (ca. 10 Millionen) unterscheiden kann, nutzt man Modelle mit drei Grundfarben:

• Additives Farbmodell (RGB): Kombination der Grundfarben Rot, Grün und Blau. Verwendung in Monitoren.
• Subtraktives Farbmodell (CMY): Verwendung im Druckbereich mit Cyan, Magenta und Gelb auf weißer Fläche.

Umgang mit Farben in Grafiken

Es gibt zwei Ansätze: Beim RGB-Modell werden für jedes Pixel alle drei Komponenten gespeichert. Bei der indizierten Farbe wird eine Farbpalette (Tabelle) genutzt, was Speicherplatz spart, da nur der Index der Farbe aus der Palette gespeichert wird.

Ausgabegeräte und Monitortechnologien

Das gängigste Ausgabegerät ist der Monitor. Wichtige Parameter sind die Auflösung, die Bildwiederholfrequenz (Frequenz der Bildaktualisierung) und die Punktgröße (Pixelabstand). Früher dominierten Kathodenstrahlröhren (CRT), die entweder als Vektormonitore oder (seit den 80ern) als pixelbasierte Rastermonitore arbeiteten.

Moderne Display-Technologien: LCD und TFT

Heute sind Flüssigkristall-Displays (LCD) Standard. Sie sind dünner, leichter und verbrauchen weniger Strom. Man unterscheidet:

• Passive Matrix: Ein Gitter aktiviert Pixel nacheinander. Nachteile: langsame Reaktionszeit, schlechter Kontrast, begrenzter Blickwinkel.
• Aktive Matrix (TFT): Jeder Punkt verfügt über einen eigenen Transistor und Kondensator. Dies ermöglicht höhere Helligkeit, bessere Kontraste und schnellere Reaktionszeiten.

Grafikkarten und die Grafik-Pipeline

Die Grafikkarte bildet die Schnittstelle zwischen System und Bildschirm (Schnittstellen wie PCI-Express, DVI, HDMI). Moderne Karten besitzen eigene Prozessoren (GPUs) und großen Speicher, um Rendering-Aufgaben zu übernehmen. Sie unterstützen verschiedene Video-Modi, die sich in Auflösung, Bildwiederholrate und Farbtiefe unterscheiden.

Der Rendering-Prozess

Die Grafik-Pipeline erzeugt ein 2D-Bild aus einer 3D-Szene (virtuelle Kamera, Lichtquellen, Texturen). Dieser Prozess besteht aus drei Phasen:

1. Anwendung (Application): Softwarebasierte Erzeugung der Geometrie und Kollisionserkennung.
2. Geometrie: Operationen an Ecken und Polygonen, heute meist in Hardware implementiert.
3. Rasterisierung (Rendering): Erzeugung des endgültigen Bildes.

Die Geschwindigkeit (fps) wird durch das langsamste Glied der Kette bestimmt. Moderne GPUs sind hochgradig für diese parallelen Verarbeitungsaufgaben optimiert.